Flexoelectricity-driven toroidal polar topology in liquid-matter helielectrics

物理 环面 挠曲电 铁电性 偶极子 极地的 拓扑(电路) 极化(电化学) 极化密度 磁性 凝聚态物理 电介质 液晶 量子力学 磁场 等离子体 磁化 物理化学 组合数学 化学 数学
作者
Jidan Yang,Yu Zou,Jinxing Li,Mingjun Huang,Satoshi Aya
出处
期刊:Nature Physics [Springer Nature]
卷期号:20 (6): 991-1000 被引量:26
标识
DOI:10.1038/s41567-024-02439-7
摘要

Magnetic and electric dipoles have similar symmetry and are therefore expected to exhibit many common structures. However, despite frequent reports of various spin textures composed of magnetic dipoles, investigations on long-range ordered electric dipoles have been scarce, until recently. Here we discover spontaneous toroidal polar topology in an emerging ferroelectric liquid state with polarization helices, dubbed 'helielectric nematic'. The interplay between liquid-crystal elasticity and polar interactions results in a continuous in-plane rotation of the polarization, producing a periodic toroidal assembly. In partial analogy with magnetism, the neighbouring toroidal domains are separated by circularly shaped domain walls. The local polarization switching enables unique shrinkage and expansion dynamics of the toroidal domains. The discovery provides opportunities for developing designable and switchable ferroelectric-liquid-matter opto-electronics. Exploring and exploiting electric dipole arrangements analogously to what is possible with magnetic spin textures is an emerging prospect. Now a spontaneous toroidal polar topology is observed in ferroelectric liquid crystals.
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